Het leven zoals we het kennen ontstond ongeveer 3,5 tot 4 miljard jaar geleden in de vorm van een prebiotische ("voor het leven") soep van organische moleculen die zich op de een of andere manier begonnen te repliceren en een genetische formule doorgaven. Of zo gaat de gedachte achter de RNA World, een van de meest robuuste hypothesen over de oorsprong van het leven.

Onderzoekers van UC Santa Barbara hebben nu bewijs gevonden dat het aminozuur arginine (of zijn prebiotische wereldequivalent) mogelijk een belangrijker ingrediënt in deze soep is geweest dan eerder werd gedacht.

"Mensen hebben de neiging om arginine te zien als niet prebiotisch, " zei Irene Chen, een biofysicus wiens onderzoek zich richt op de chemische oorsprong van het leven. "Ze hebben de neiging om de eenvoudigere aminozuren als plausibel te beschouwen, zoals glycine en alanine." Arginine, daarentegen, is relatief complexer, en werd daarom verondersteld in een later stadium in het spel te zijn gekomen.

Oorspronkelijke aarde, volgens de RNA World-theorie, de omstandigheden had om verschillende soorten biomoleculen te huisvesten, inclusief nucleïnezuren (die genetisch materiaal worden), aminozuren (die zich uiteindelijk verbinden om de eiwitten te vormen die verantwoordelijk zijn voor de structuur en functie van cellen) en lipiden (die energie opslaan en cellen beschermen). Onder welke omstandigheden en hoe deze biomoleculen samenwerkten, is een bron van voortdurend onderzoek voor onderzoekers naar de oorsprong van het leven.

Voor hun onderzoek hebben de UCSB-wetenschappers analyseerden een dataset van in vitro geëvolueerde complexen van eiwitten en aptameren (korte RNA- en DNA-moleculen die binden aan specifieke doeleiwitten).

"We keken naar de interface waarvoor eigenschappen de voorkeur gaven aan binding, " zei Celia Blanco, een postdoctoraal onderzoeker in het Chen Lab, en hoofdauteur van een artikel dat in het tijdschrift verschijnt Huidige biologie . In vitro evolutie was een belangrijke factor bij het selecteren van deze evolutionair onafhankelijke complexen, ze wees erop, om de verstorende effecten als gevolg van biologische evolutie te vermijden en om de omstandigheden van een prebiotische wereld nauw na te bootsen.

"Er zijn zoveel beperkingen in de biologie, " zei Chen, die ook arts is. "Biologisch geëvolueerde eiwit-DNA- of eiwit-RNA-interacties moeten in een cel werken, dat zal niet precies het geval zijn voor de oorsprong van het leven."

Wat de onderzoekers ontdekten, was dat arginine een rol speelde in veel van de chemische interacties tussen eiwitten en aptameren.

"Natuurlijk, we verwachtten dat het erg belangrijk zou zijn voor elektrostatische interacties omdat het positief geladen is, "Chen zei, "maar het was ook het dominante aminozuur voor hydrofobe interacties, stapelende interacties en deze andere verschillende manieren van interactie waar andere aminozuren meer bekend om staan." In mindere mate, lysine (een ander positief geladen aminozuur) speelde ook een belangrijke rol in deze interacties.

Onder andere redenen, arginine is mogelijk over het hoofd gezien omdat het een relatief moeilijker te synthetiseren aminozuur is.

"Meestal baseren mensen de consensus over wat prebiotisch is en wat niet op experimenten, "zei Blanco. "En met behulp van wat mensen denken dat prebiotische omstandigheden zijn, arginine en lysine lijken moeilijk te synthetiseren of te detecteren." Maar alleen omdat iets als arginine niet is geproduceerd in de laboratoriumexperimenten die tot nu toe zijn uitgevoerd, Blanco vervolgde, betekent niet dat het er niet was.

De onderzoekers wijzen erop dat hoewel het aminozuur dat we arginine noemen belangrijk bleek te zijn in de aptamer-eiwitbindingsinteracties die ze onderzochten, miljarden jaren geleden was het biomolecuul misschien niet noodzakelijk het huidige arginine, maar misschien een positief geladen oer-equivalent.

Deze ontwikkeling werpt meer licht op wat misschien de ideale omstandigheden waren voor de opkomst van het leven. Er zijn verschillende hypothesen - van kometen tot hydrothermale bronnen tot andere omgevingen - die gunstig kunnen zijn geweest voor de uiteindelijke evolutie van cellen, evenals verschillende baanbrekende experimenten die het idee van RNA World versterken.

"Als we hadden ontdekt dat glycine echt belangrijk was voor RNA-eiwitinteracties - en glycine is overal - dan zou dat niet nuttig zijn geweest voor het bepalen van plausibele omstandigheden, " zei Chen. "Maar het vinden dat arginine belangrijk was, beperkt het soort scenario's dat aanleiding zou kunnen geven tot de genetische code."